producción biológica de hidrógeno

PRODUCCIÓN BIOLÓGICA DE HIDRÓGENO: UNA
APROXIMACIÓN AL ESTADO DEL ARTE
BIOLOGICAL PRODUCTION OF HYDROGEN: A
LITERATURE SURVEY
ANDREA BEDOYA
Estudiante Ingeniería Biológica, Universidad Nacional de Colombia, Sede Medellín, [email protected]
JUAN CAMILO CASTRILLÓN
Estudiante Ingeniería Biológica, Universidad Nacional de Colombia, Sede Medellín, [email protected]
JUAN ESTEBAN RAMÍREZ
Estudiante Ingeniería Biológica, Universidad Nacional de Colombia, Sede Medellín, [email protected]
JUAN ESTEBAN VÁSQUEZ
Estudiante Ingeniería Biológica, Universidad Nacional de Colombia, Sede Medellín, [email protected]
MARIO ARIAS ZABALA
Profesor Asociado, Facultad de Ciencias, Universidad Nacional de Colombia, Sede Medellín, [email protected]
Recibido para revisar Julio 27 de 2007, aceptado Octubre 29 de 2007, versión final Noviembre 04 de 2007
RESUMEN: En este documento se presenta una revisión de información obtenida de la literatura sobre la
producción de biohidrógeno, describiendo los fundamentos básicos de los diferentes sistemas de producción
biológica, con especial énfasis en la fermentación oscura, la cual ha sido reportada como uno de los métodos más
eficientes y viables de producción de hidrógeno a partir de materiales de desecho. Se describe el uso de diversos
microorganismos y la manipulación de diferentes variables de proceso para obtener las condiciones que optimicen la
producción de hidrógeno. Además, se hace un recuento de los métodos desarrollados para el mejoramiento de la
producción y purificación del hidrógeno.
PALABRAS CLAVE: Biohidrógeno, Fermentación, Materiales de desecho, Metabolismo de hidrógeno.
ABSTRACT: This review compiles the information from many papers about the biohydrogen production. The basic
fundamentals of different biological production systems are described. Special emphasis is given to the dark
fermentation, reported as one of the more efficient and viable method of hydrogen production from waste materials.
The use of diverse microorganisms and manipulation of some process variables are described to obtain the maximum
hydrogen production. In addition, an account of the methods developed for the purification and improvement of
production is presented.
KEYWORDS: Biohydrogen, Fermentation, Waste materials, Hydrogen metabolism.
1.
INTRODUCCIÓN
Las necesidades energéticas mundiales crecen
exponencialmente; sin embargo, las reservas
actuales de combustibles fósiles se agotan
vertiginosamente, lo que ha llevado a explorar
nuevas fuentes energéticas alternativas y
renovables.
Dyna, Año 75, Nro. 154, pp. 137-157. Medellín, Marzo de 2008. ISSN 0012-7353
138
Bedoya et al
Además, un tema inquietante a nivel mundial es
la creciente contaminación ambiental que está
estrechamente ligada con la utilización de
hidrocarburos que causan gran parte del
calentamiento global por acumulación de CO2 en
la atmósfera y gases como nitruros, sulfuros y
material particulado que deterioran la salud y los
ecosistemas. Debido a esto, en los últimos años
se ha volcado la atención al hidrógeno, por ser
un combustible limpio y renovable, el cual posee
un alto rendimiento energético (122 KJ/g, 2.75
veces más alto que los combustibles hidrocarbonados), siendo el agua el único producto
resultante [Han y Shin, 2004; Claasen y otros,
2005; Kapdan y Kargi, 2006]. La demanda de
hidrógeno no es exclusiva como fuente de
energía, ya que es ampliamente utilizado en las
industrias química, de alimentos y en la
producción de derivados electrónicos, entre
otros, lo que genera una creciente necesidad de
producir hidrógeno de una manera sostenible y
económicamente viable. Se ha reportado una
demanda de más de 50 millones de toneladas
anuales [Kapdan y Kargi, 2006], con un
crecimiento de más del 10 % anual.
Los métodos de producción actuales no son lo
suficientemente eficientes y económicos para
suplir las necesidades mundiales de hidrógeno.
La obtención convencional se caracteriza por los
altos costos energéticos del proceso; entre estos
métodos están: oxidación parcial no catalítica de
combustibles, vapor reformante de metano,
procesos de membrana, oxidación selectiva de
metano, deshidrogenación oxidativa y procesos
electroquímicos [Dolgykh y otros, 2006; Ni y
otros, 2006]. Sin embargo, los anteriores
métodos no son los únicos; en los últimos años
se ha planteado una novedosa forma de obtener
hidrógeno, la cual es conocida como “tecnología
verde” y no es más que su producción biológica,
resultante de la conversión de compuestos por
diversas especies celulares. Esta biotecnología
incluye:
biofotólisis
directa,
biofotólisis
indirecta, reacción de intercambio gaseoso
(water-shift-reaction), fermentación oscura y
foto-fermentación [Reith y otros, 2003; Kovács
y otros, 2004].
El objetivo del presente documento es describir
los adelantos en la producción biológica de
hidrógeno a partir de diversas fuentes de
sustratos, inóculos, pretratamientos, modos y
condiciones de operación del bioproceso, así
como describir las principales perspectivas
metodológicas para el mejoramiento de su
producción.
2. BIOQUÍMICA DE LA PRODUCCIÓN
DE BIOHIDRÓGENO
El entendimiento de los fundamentos
moleculares de la producción de hidrógeno es
fundamental para su investigación aplicada. La
producción biológica de hidrógeno se debe
principalmente a la presencia en las células de
enzimas como la hidrogenasa y la nitrogenasa.
La hidrogenasa está ampliamente distribuida en
los microorganismos anaeróbicos. Ésta tiene
diversos orígenes filogenéticos y produce el
hidrógeno
tanto
irreversible
como
reversiblemente, dependiendo de las condiciones
medioambientales en las que se encuentre,
siendo reversible sólo en condiciones de
anaerobiosis estricta [Vignais y otros, 2006].Esta
enzima se ha clasificado en tres grupos
principales: Fe-hidrogenasa, Ni-Fe-hidrogenasa
e hidrogenasa libre de metales [Franchi y otros,
2004; Dutta y otros, 2005; Gutekunst y otros,
2006]. La Fe-hidrogenasa, una de las más
conocidas, tiene como función remover los
equivalentes (H+) excesivos en los anaerobios
estrictos y puede ser inhibida por la presencia de
oxígeno o por altas concentraciones de su
producto hidrógeno. Se sabe que la reacción
catalizada por la hidrogenasa tiene la forma:
H 2 ↔ 2 H + + 2e −
(1)
La nitrogenasa está presente en gran cantidad de
microorganismos fijadores de nitrógeno, puede
producir hidrógeno en una reacción irreversible
de forma continua (Ec. (2)), incluso con
saturación de producto (atmósfera al 100% H2).
Esta enzima es empleada para reducir el N2 a
NH3; sin embargo, cuando hay ausencia de N2,
reduce los H+ a hidrógeno consumiendo 4 moles
de ATP. Se ha encontrado que además del N2, el
O2 y el NH4+ pueden inhibirla [Kovács y otros,
2004; Kovács y otros, 2006].
Dyna 154, 2008
N 2 + 8 H + + 8e − + 16 ATP
→ 2 NH 3 + H 2 + 16 ADP + 16 Pi
139
óxido-reductasa. En esta ruta una parte de los
electrones es transferida a protones para producir
hidrógeno y el resto a NAD+ para generar
NADH2; luego este NADH2, y el generado en la
glucólisis, es usado en la segunda ruta para
producir hidrógeno por medio de la hidrogenasa
[Chen y otros, 2006].
Considerando la Figura 1, y realizando un
análisis estequiométrico, se llega a lo siguiente:
(2)
Se han realizado numerosos estudios a nivel
molecular con estas enzimas para el
mejoramiento de la producción de hidrógeno.
Además, se han llevado a cabo estudios
estequiométricos en diversos microorganismos,
con el fin de aclarar las vías metabólicas
utilizadas en la producción de hidrógeno. Es
común el estudio en especies del género
Clostridium para determinar los rendimientos
máximos teóricos de la conversión de glucosa en
hidrógeno en condiciones anaerobias.
2C6H12O6 + 3NH3 + 35ATP→3C4H7O2N + 6H2O (3)
C6 H12O6 + 2 H 2O → 2C2 H 4O2 + 2CO2
En la Figura 1 se muestran dos de las posibles
rutas
metabólicas
del hidrógeno
para
Clostridium butyricum. Una de estas rutas es el
rompimiento del piruvato en CO2 y H2, el cual es
catalizado por la enzima piruvato ferredoxin-
C6 H12O6 → C4 H8O2 + 2CO2 + 2H2 + 3 ATP (5)
ADP
ATP
BIOMASA
Fd
2H+
2ATP
2NADH2
PIRUVATO
Fd
FdH
ACETIL CoA
FEREDOXINA
OXIDORREDUCTASA
NAD+
H2
HIDROGENASA
FEREDOXINA OXIDORREDUCTASA
GLUCOSA
2NAD+
2ADP
NADH2
(4)
+ 2 H 2 + 4 ATP + 2 NADH 2
HSCoA
CO2
2NADH2
2NAD+
HIDROGENASA
ACETILFOSFATO
BUTIRIL CoA
ADP
2H+
H2
ADP
ATP
ATP
ACETATO
Figura 1. Ruta metabólica del hidrógeno en Clostridium butyricum [Chen y otros, 2006]
Figure 1. Clostridium butyricum hydrogen metabolic pathway [Chen et al., 2006]
BUTIRATO
140
Bedoya et al
Las ecuaciones (3), (4) y (5) representan la
formación de biomasa, acetato y butirato,
respectivamente. Este tipo de estudios han
demostrado que la vía del acetato permite un
mayor rendimiento de hidrógeno que la del
butirato, y se ha encontrado que potenciar esta
ruta metabólica mejora considerablemente su
producción [Chen y otros, 2006].
También se han hecho estudios sobre Klebsiella
pneumonia, un microorganismo anaerobio
facultativo capaz de producir hidrógeno en
cantidades significativas involucrando en su
metabolismo tanto la hidrogenasa como la
nitrogenasa. Las posibles rutas metabólicas para
la producción de hidrógeno en Klebsiella
pneumoniae a partir de glucosa se pueden
observar en la Figura 2. En estas rutas el
rompimiento del acetil-CoA es catalizado por
dos enzimas llamadas piruvato-formiato-liasa
y piruvato-deshidrogenasa. En la primera ruta,
una parte del piruvato, catalizado por la enzima
piruvato formato-liasa, produce ácido fórmico;
luego la enzima formiato-hidrogenoliasa rompe
este ácido para producir hidrógeno. En la
segunda ruta, los electrones generados en el
rompimiento del piruvato catalizado por la
piruvato deshidrogenasa son transferidos a la
ferredoxina y luego a H+ para generar hidrógeno
por medio de la hidrogenasa y el resto de los
electrones son transferidos a NAD+ para producir
NADH2. En la última ruta, una porción del
NADH2 es transferido a la nitrogenasa para
generar hidrógeno y el resto es oxidado por el
oxígeno para sintetizar ATP a través de la
cadena respiratoria
[Chen y otros, 2006].
Figura 2. Ruta metabólica de Klebsiella pneumoniae a partir de glucosa [Chen y otros, 2006]
Figure 2. Klebsiella pneumoniae metabolic pathway from glucose [Chen et al., 2006]
Dyna 154, 2008
El análisis estequiométrico muestra:
2C 6 H 12 O6 + 3NH 3 +
3MW
ATP →
YATP
luz
2 H 2 O →
2H 2 + O2
(6)
3C 4 H 7 O2 N + 6 H 2 O
C 6 H 12 O6 + 2 H 2 O → 2C 2 H 4 O 2 +
2CO 2 + 4 H 2 + 4 ATP
C6 H12O6 + 2NADH2 → 2C2 H6O +
2CO2 + 2H2 + 2ATP
141
(7)
(8)
Las ecuaciones (6), (7) y (8) representan la
formación de biomasa, acetato y etanol,
respectivamente.
Algunos estudios en ingeniería metabólica han
trabajado en estas vías, especialmente sobre la
hidrogenasa, con el fin de direccionar y
optimizar el flujo de equivalentes (H+) reducidos
para la producción de hidrógeno. Sin embargo,
se requiere un mayor entendimiento de las rutas
metabólicas y de su regulación para incrementar
la eficiencia de estas enzimas. Algunos autores
han mostrado enzimas de microorganismos
mutantes con rendimientos mejores que los de
las especies silvestres [Kondo y otros, 2002;
Kruse y otros, 2005; Kovács y otros, 2006;
Vignais y otros, 2006].
3. MÉTODOS PARA LA PRODUCCIÓN
DE BIOHIDRÓGENO
3.1 Biofotólisis directa
Éste es un proceso de producción de hidrógeno
y oxígeno fotosintéticamente a partir de agua y
luz solar (Ec. 9). En él se usan algunos
microorganismos que constituyen las algas
verdes, las cuales requieren de un tiempo de
incubación anaeróbica en oscuridad para inducir
la síntesis o la actividad de enzimas involucradas
en el metabolismo del hidrógeno, como las
hidrogenasas reversibles e irreversibles [Daday
y otros, 1977; Melis y Happet, 2001; Weissman
y Benemann, 1977]. Éstas canalizan la
producción de dos protones (2H+) a hidrógeno
gaseoso (H2) mediante la siguiente reacción
[Jorquera y otros, 2003; Levin y otros, 2004]:
(9)
Las hidrogenasas hacen parte de una maquinaria
genética y enzimática en el transporte de
electrones para generar hidrógeno y producir
ATP durante la fotosíntesis. Teniendo en cuenta
que la hidrogenasa en este proceso no es
tolerante al oxígeno y que el proceso genera los
dos gases en forma simultánea (hidrógeno y
oxígeno), no es viable a lo largo del tiempo, sino
se hacen ciertas modificaciones. Una de estas
posibles modificaciones es una separación
tempo-espacial, donde primero el CO2 es fijado
en sustratos ricos en hidrógeno durante la
fotosíntesis normal y luego se incuba el alga
anaeróbicamente con luz, produciéndose
hidrógeno gaseoso. Lo anterior se debe realizar
teniendo en cuenta que la incubación del alga se
tiene que hacer en un medio libre de nutrientes
que contengan azufre, para evitar la producción
de oxígeno por parte del fotosistema II, pues la
ausencia de este elemento impide la formación
de este complejo enzimático [Jorquera y otros,
2003]. Estos estudios se han hecho
principalmente con Chlamydomonas reinhardtii
[Zhang y Melis 2002; Levin y otros, 2004].
3.2
Biofotólisis indirecta
Se lleva a cabo por cianobacterias y algas verdeazules, donde a partir del proceso fotosintético el
CO2 es fijado a sustratos ricos en hidrógeno
endógeno generando luego hidrógeno molecular
cuando estos microorganismos se incuban en
condiciones anaerobias [Dutta y otros, 2005].
luz
6H 2 O + 6CO2 →
C6 H12O6 + 6O2
luz
C6 H 12 O6 + 6H 2 O →
12H 2 + 6CO2
(10)
(11)
En el proceso se requiere un sistema de cultivo
inicial para la fotosíntesis normal y otro sistema
aparte para la generación de hidrógeno [Kovács
y otros, 2006]. Las cianobacterias poseen varias
enzimas involucradas directamente en el
metabolismo del hidrógeno. La más importante,
la nitrogenasa, cataliza la producción de
hidrógeno en el proceso de fijación del
nitrógeno. Otra enzima es la hidrogenasa
142
Bedoya et al
captadora, la cual oxida el hidrógeno que
sintetiza la nitrogenasa y, por último, están las
hidrogenasas bidireccionales que tienen la
habilidad de oxidar y sintetizar hidrógeno.
La producción de hidrógeno por cianobacterias
ha sido estudiada por cerca de tres décadas y se
ha revelado que la eficiente fotoconversión de
agua en hidrógeno es influenciada por muchos
factores, siendo la intensidad de luz el más
importante. Las tasas de producción de
hidrógeno son muy variadas y dependen de las
especies de cianobacterias involucradas y de las
condiciones del proceso; sin embargo el interés
en este proceso ha decaído debido a las bajas
tasas
de
producción
encontradas
de
13µL/mg(peso seco/h) [Jeffries y otros, 1978].
Además existen desventajas en la producción de
hidrógeno con cianobacterias, que se deben
fundamentalmente a que es necesario remover el
O2 producido, pues éste actúa también como
inhibidor de la nitrogenasa y la hidrogenasa
[Kapdan y Kargi, 2006].
3.3
En este proceso se utilizan bacterias púrpuras no
sulfurosas que producen hidrógeno, catalizado
por la nitrogenasa bajo condiciones deficientes
en N2, usando luz y compuestos reducidos, como
ácidos orgánicos, que muchas veces están
contenidos en sustancias de desecho.
Luz
→
12H 2 + 6CO2
La mayoría de los procesos utilizados en
fotofermentación se han llevado a cabo con
microorganismos del género Rhodobacter en
lotes (algunas veces con inmovilización celular)
y con menor frecuencia en continuo [Zurrer y
Bachofen, 1979; Kapdan y Kargi, 2006]. Entre
los resultados reportados más destacables de
tasas de producción de hidrógeno por este
microorganismo están 0,009 L/L*h y 0,008
L/L*h a un pH de 5 y una temperatura de 35 °C
[Eroglu y otros, 2006].
3.4 Reacción de intercambio gaseoso (Water
gas shift reaction)
Fotofermentación
C6 H12O6 + 6 H 2O
diversos los tipos de biorreactores desarrollados
(foto-biorreactores) en este sistema. Se han
evaluado configuraciones tubulares, de panel de
platos y de columna de burbujeo, obteniéndose
diferentes resultados en la producción de
hidrógeno, debido a las diferencias en la
agitación e intensidad de la luz, parámetros
cruciales para este método de producción [Reith
y otros, 2003; Kapdan y Kargi, 2006].
(12)
En este proceso también interviene la
hidrogenasa captadora de hidrógeno, la cual
compite por el hidrógeno disponible en el medio,
reduciendo la actividad de la nitrogenasa al
quedar sin sustrato. Uno de los parámetros que
más afectan la fotofermentación es la intensidad
de luz, pues un incremento en ésta se ha visto
que afecta de forma simultánea la velocidad de
producción y el rendimiento del hidrógeno
[Hillmer y Gest, 1977; Reith y otros, 2003;
Kapdan y Kargi, 2006].
Se ha visto que las tasas de producción de
hidrógeno son más altas cuando las células son
inmovilizadas que cuando están suspendidas en
la fase líquida [Levin y otros, 2004]. Son
Ciertas bacterias fotoheterotróficas, dentro de la
superfamilia Rhodospirillaceae, pueden crecer
en oscuridad usando CO como única fuente de
carbono para generar ATP, con la liberación de
H2 y CO2 [Levin y otros, 2004].
CO( g ) + H 2O(l ) 
→CO2( g ) + H 2( g ) + ATP
(13)
En estos microorganismos, la producción de
hidrógeno es mediada por reacciones
enzimáticas, las cuales se dan a temperaturas y
presiones bajas (ambientales). La enzima que se
encarga de atrapar el CO y oxidarlo es la óxidoreductasa-CO-deshidrogenasa (CODH), y es
parte de un complejo enzimático unido a la
membrana [Levin y otros, 2004]. Este proceso
puede ser muy prometedor al poder utilizar gases
que contengan CO, para removerlo y producir
hidrógeno. Se han hecho algunas propuestas para
el diseño de biorreactores que permitan este
proceso [Wolfrum y Watt, 2001]. Sin embargo,
aún se debe mejorar la transferencia de masa que
es una de las limitaciones del mismo.
Dyna 154, 2008
3.5
Fermentación oscura
La producción de hidrógeno por este método está
dada por bacterias anaeróbicas que crecen en
oscuridad y usan sustratos ricos en carbohidratos. Los subproductos de la fermentación lo
constituyen los ácidos acético (máximo teórico
de 4 mol H2/mol glucosa) y butírico (máximo
teórico de 3.4 mol H2/mol glucosa), con lo que
los rendimientos prácticos de hidrógeno en la
fermentación oscura están alrededor de 2 mol
H2/mol glucosa [Levin y otros, 2004].
C6 H12O6 + 2H2O 
→ 2CH3COOH +
(14)
4H2 + 2CO2
7C6 H12O6 + 6 H 2O 
→ 6CH 3CH 2CH 2COOH +
(15)
24 H 2 + 18CO2
Las fermentaciones se llevan a cabo a diferentes
temperaturas, desde mesófilas (25-40ºC), hasta
termófilas (>50ºC) [Zhang y otros, 2003; Lin y
Chang, 2004], produciéndose biogás que
contiene H2, CO2, CO, H2S y, en alguno casos,
CH4. Las especies bacterianas que producen
hidrógeno por este sistema, y que son más
conocidas, son las que corresponden a los
géneros Enterobacter, Bacillus y Clostridium
[Reith y otros, 2003; Levin y otros, 2004].
La producción de hidrógeno por estas bacterias
depende de condiciones del proceso como pH,
tiempo de retención hidráulica (HRT) y presión
parcial del gas. La formación de los productos
obedece a las condiciones ambientales en las
cuales los microorganismos crecen. Productos
como etanol, butanol y lactato, contienen
hidrógeno que todavía no se ha liberado; así,
para maximizar la cantidad de hidrógeno, el
metabolismo de la bacteria debe enfocarse hacia
la producción de ácidos grasos volátiles (VFA)
[Chen y otros, 2005; Lee y otros, 2006; Lin y
Chen, 2006].
3.5.1 Microorganismos e inóculos
La producción de biohidrógeno por fermentación
oscura se puede llevar a cabo tanto con cultivos
puros, con gran variedad de cepas de
143
microorganismos, como con cultivos mixtos que
por lo general provienen de productos de
desecho. Ambos tipos de cultivos sirven como
inóculos para la fermentación
3.5.1.1 Cultivos puros
Con respecto a los cultivos con cepas puras de
microorganismos, se tienen referenciados
algunos géneros y especies de bacterias muy
estudiadas (Tablas 1 y 2). Dentro de los
microorganismos anaerobios estrictos, los cuales
son muy sensibles a la presencia de oxígeno, se
encuentra el género Clostridium, además de
bacterias del rumen, termófilos y metanógenos.
El género Clostridium ha sido uno de los más
estudiados, tanto en cultivo por lotes (Tabla 1)
como en continuo (en menor proporción) y por
lotes alimentados (Tabla 2), utilizando glucosa;
pero se ha visto que existen especies que son
capaces de utilizar otros carbohidratos simples
como xilosa, arabinosa, galactosa, celobiosa,
sacarosa y fructosa, lo que sugiere que se pueden
utilizar sustratos pretratados más complejos
como almidón, celulosa y hemicelulosa (Tabla
2). Este género muestra tener un rendimiento de
alrededor de 2 moles H2/mol glucosa que, con
respecto a otros microorganismos, ha sido uno
de los mejores; además produce una mezcla de
subproductos en la fermentación como ácidos
acético y butírico, y algunos alcoholes, que son
los subproductos principales del metabolismo del
hidrógeno. Bacterias del rumen, como
Ruminococcus albus, producen el hidrógeno
junto con otros subproductos no derivados del
metabolismo del hidrógeno propiamente, pero
hacen falta más estudios sobre éstos. Muchos
termófilos e hipertermófilos, como los de los
géneros
Spirocheta,
Anaerocellum,
Caldicellulosiruptor, Clostridium, Dictyoglomus,
Fervidobacterium,
Thermoanaerobacter
y
Thermotoga, producen hidrógeno a partir de
sustratos celulolíticos, algunos de ellos con una
eficiencia mayor al 80% del valor teórico (4mol
H2/mol glucosa), pero presentan la desventaja de
tener un bajo consumo de glucosa y bajas
densidades celulares en los cultivos [Reith y
otros, 2003]. Aunque se sabe que los
metanógenos consumen hidrógeno para producir
metano, bajo condiciones de inhibición de
producción de éste, se ha reportado producción
144
Bedoya et al
de H2 y CO2 a partir de CO y H2O por una cepa
de
Methanosarcina barkeri, en una
modificación del proceso de reacción de
intercambio gaseoso [Reith y otros, 2003].
Con respecto a los anaerobios facultativos, que
presentan resistencia a la presencia de oxígeno y
por lo tanto tienen la ventaja de consumir el
oxígeno rápidamente en los biorreactores
garantizando anaerobiosis, están Enterobacter,
E. coli y Citrobacter. A pesar que las bacterias
del género Enterobacter no presentan una
inhibición a altas presiones de hidrógeno,
generalmente tienen rendimientos más bajos que
Clostridium,
pues
se
producen
otros
subproductos propios del metabolismo del
hidrógeno como el lactato, aunque se han
desarrollado mutantes para bloquear estos
metabolitos no deseados y mejorar la
producción. Con E. coli se ha demostrado la
producción de hidrógeno a partir de formiato en
anaerobiosis debido a su actividad formiatohidrógeno-liasa y Citrobacter produce hidrógeno
por reacción de intercambio gaseoso [Reith y
otros, 2003]. Se han reportado ratas de
producción de biohidrógeno para Clostridium y
Enterobacter de 23 a 58 mmol H2/l h [Reith y
otros, 2003].
3.5.1.2
Cultivos mixtos
Se ha podido aislar microflora de cultivos mixtos
de varias fuentes de desecho como compost,
lodos y suelos. Esta microflora a menudo
contiene bacterias no deseadas para la
producción de hidrógeno como son los
metanógenos, los cuales consumen el hidrógeno
producido y lo convierten a metano.
Generalmente se utilizan pretratamientos con
calor y/o pHs extremos para enriquecer la
microflora, los cuales inhiben la actividad de los
consumidores de hidrógeno, mientras las
bacterias esporuladas, que por lo general son del
género Clostridium, sobreviven; otros de los
métodos utilizados en el enriquecimiento de
microflora productora de hidrógeno son
aireación, inhibición de metanógenos por ácido
2-bromoetanosulfónico (BESA) y yodopropano
[Zhu y Béland, 2006]. Cuando se trabaja en
continuo, la presencia de metanógenos en el
cultivo se puede controlar aumentando los
tiempos de retención hidráulica (HRT) para
promover el lavado celular (wash out) de
metanógenos, que tienen una tasa de crecimiento
baja, y seleccionar las bacterias que producen
hidrógeno. Una de las ventajas del uso industrial
de los cultivos mixtos, con respecto a los
cultivos puros, es que estos últimos son más
sensibles a la contaminación de bacterias
consumidoras de hidrógeno. Se ha reportado la
utilización de cultivos mixtos con lodos
activados, lodos digeridos anaeróbicamente,
compost de desechos, sedimentos de lagos y
suelos de cultivos agrícolas; algunos de éstos por
lotes y en continuo, mostrando rendimientos
cercanos a 2 moles H2/mol glucosa (Tablas 3 y
4), demostrando la presencia dominante de
Clostridium en los cultivos enriquecidos por
tratamientos o acondicionamiento de estos
inóculos [Lin y Chang, 2004; Zhang y otros,
2006; Eroglu y otros, 2006; Vijayaraghavan y
otros, 2006]. Las fermentaciones de hidrógeno
por cultivos mixtos muestran tener ratas de
producción alrededor de 30-50 mmolH2/l h
[Reith y otros, 2003].
3.5.2
Sustratos y pretratamientos
Para que la producción de biohidrógeno sea un
proceso sostenible, los sustratos utilizados deben
cumplir ciertos criterios. Los sustratos deben ser
producidos a partir de recursos renovables, estar
disponibles en suficiente cantidad
y/o
concentración para que la fermentación ocurra de
forma eficiente y se produzca hidrógeno de una
forma energéticamente favorable (biohidrógeno
como fuente de energía renovable), y que los
pretratamientos sean mínimos y de bajo costo.
Los carbohidratos son los sustratos preferidos
como fuente de carbono; la glucosa y la sacarosa
han sido los sustratos fermentables más
estudiados a escala de laboratorio, aunque
también se han utilizado otros como la maltosa,
lactosa, galactosa, manosa y xilosa [Lin y otros,
2006; Lin y Cheng, 2006; Das y Kotay, 2007;
Ogino y otros, 2005]. Aunque los sustratos puros
han sido ampliamente estudiados, las
investigaciones más recientes se enfocan en la
utilización de desechos, como sustratos aptos
para un proceso sostenible. El rango de los
sustratos orgánicos que se podrían usar es tan
Dyna 154, 2008
amplio como el rango de microorganismos
utilizados en la producción de hidrógeno por vía
fermentativa. Existe gran variedad de sustratos
provenientes de recursos renovables como los
azúcares contenidos en productos agrícolas como
maíz, arroz, trigo, sorgo o material lignocelulósico de la biomasa. Aunque algunas
bacterias del género Clostridium contenidas en
cultivos mixtos han presentado actividades
celulolíticas, no se han encontrado bacterias que
produzcan hidrógeno a partir de materiales
celulósico y hemicelulósico crudos [Fang y Liu,
2002; Hawkes y otros, 2002; Van Ginkel y
Logan, 2005; Redwood y Macaskie, 2006; Fan y
otros, 2006; Sung y otros, 2003].
3.5.2.1
Sustratos de material de desecho
Existe gran variedad de desechos que contienen
los sustratos aptos para la producción de
biohidrógeno. Los azúcares simples como
glucosa, lactosa y sacarosa están presentes en
muchos efluentes industriales y también pueden
ser obtenidos a partir de desechos agrícolas. Se
pueden encontrar grandes contenidos de almidón
y celulosa en desechos agroindustriales. Los
desechos de las industrias de alimentos poseen
gran contenido de carbohidratos en forma de
azúcares simples, almidón y celulosa que pueden
ser utilizados en la producción de biohidrógeno.
Estos desechos sólidos contienen cantidades de
carbohidratos y proteínas que varían en
concentración y de esta manera deben ser
ajustados para obtener las condiciones óptimas
del bioproceso. Así mismo, como las aguas
residuales de estas industrias procesadoras de
alimentos son ricas en carbohidratos, también
pueden ser utilizadas; se han usado aguas
residuales de productos lecheros, restos de la
industria de la oliva, desechos de panadería,
melazas y cervecería [Yokoi y otros, 2001;
Kádár y otros, 2003; Bálint y otros, 2005;
Claassen y otros, 2005; Van Ginkel y otros,
2005; Vijayaraghavan y otros, 2006; Kapdan y
Kargi, 2006; Fang y Zhang, 2006; Levin y otros,
2006; Fan y otros, 2006; Ginkel y otros, 2005a;
Ginkel y otros, 2005b; Oh y Logan, 2005].
Lodos de plantas de tratamiento, que contienen
gran cantidad de carbohidratos y proteínas, se
usan tradicionalmente para la producción de
145
metano [Kapdan y Kargi, 2006], pero se ha
encontrado que con pretratamientos pueden ser
utilizadas como sustratos para la producción de
biohidrógeno, teniendo en cuenta los debidos
cuidados en cuanto a esterilidad.
3.5.2.2
Pretratamientos del sustrato
Cuando se utilizan sustratos de naturaleza
compleja, su capacidad de ser biodegradables
disminuye. Para aumentar la biodegradabilidad,
y por tanto la calidad de estos sustratos, se tienen
que someter a ciertos procesos de pretratamiento.
Generalmente se aplican procesos térmicos
(temperaturas de ebullición por ciertos periodos
de tiempo), químicos (tratamiento con ácidos y
bases a pHs extremos) o enzimáticos, para
hidrolizar el almidón y la celulosa y dejar el
medio con carbohidratos libres para la
fermentación. Debido a que gran parte de estos
residuos están constituidos por material
lignocelulósico y que éste promete ser uno de los
sustratos utilizados en el futuro, se debe someter
a pretratamientos más enérgicos. Mientras la
celulosa y la hemicelulosa pueden someterse a
pretratamientos más suaves y luego utilizarlas en
la fermentación, la degradación de la lignina
inhibe el crecimiento microbiano. Así, se deben
desarrollar procesos de pretratamiento que
puedan ser útiles para obtener sustratos más
fácilmente fermentables y que no causen efectos
dañinos en el proceso.
Los pretratamientos de las aguas residuales
industriales ricas en compuestos orgánicos
consisten en la eliminación de ciertos
componentes indeseables, así como en la
desnaturalización de proteínas y sustancias
orgánicas complejas, dilución de la carga
orgánica, regulación del pH y adición de ciertos
componentes necesarios para llevar a cabo el
proceso fermentativo [Kapdan y Kargi, 2006;
Hawkes y otros, 2007].
3.5.3
Requerimientos nutricionales
Se debe tener cuidado con los requerimientos de
nutrientes inorgánicos para una producción
óptima de biohidrógeno a partir de sustratos que
contienen carbohidratos. Así como el nitrógeno y
el fósforo son muy importantes en la producción
146
Bedoya et al
de hidrógeno, el azufre y el hierro son
componentes esenciales en la producción de las
hidrogenasas, las cuales son las encargadas de
generar el hidrógeno. Se ha visto también que la
limitación de hierro en el medio promueve la
formación de metabolitos no asociados al
metabolismo del hidrógeno, obteniéndose menor
producción de hidrógeno. Según esto, se deben
determinar las cantidades necesarias de
nutrientes inorgánicos y de otros elementos traza
para lograr una eficiente producción de
hidrógeno a diferentes condiciones; por ejemplo,
a diferentes concentraciones de sustrato, donde
el fósforo y el hierro deben estar presentes a
niveles tales que no lleguen a ser limitantes
[Bisaillon y otros, 2006; Hawkes y otros, 2007].
3.5.4
Condiciones de operación del proceso
Los distintos parámetros y condiciones de
operación (principalmente pH, HRT, presión
parcial de hidrógeno y CO2, subproductos,
temperatura, concentración inicial de sustrato,
edad y volumen del inóculo, etc.) deben ser
controlados durante el proceso de fermentación
oscura, pues éstos pueden afectar directamente la
eficiencia de producción, el contenido del
biogás, el tipo de ácidos producidos y la rata
específica de producción de hidrógeno. Cuando
se trabaja con cultivos mixtos, un descontrol en
uno de estos parámetros podría afectar el
metabolismo de la microflora productora de
hidrógeno o cambiar las comunidades de
microorganismos presentes en al proceso y, por
tanto, alterar los subproductos de la
fermentación. Como ya se ha dicho, los ácidos
acético y butírico son los subproductos que están
directamente relacionados con la producción de
hidrógeno y por lo tanto el rendimiento de
hidrógeno es mucho mayor cuando éstos se
obtienen en alto porcentaje. Por esta razón, para
maximizar el rendimiento de hidrógeno, se
deben buscar las condiciones óptimas para
direccionar el metabolismo de las bacterias hacia
la producción de ácidos grasos volátiles (VFA),
específicamente acetato y butirato, y fuera de la
producción de alcoholes (como etanol y butanol)
y ácidos reducidos (como el lactato) que
contienen hidrógeno que todavía no ha sido
liberado como gas [Kawagoshi y otros, 2005,
Wang y otros, 2007]. Entre algunas de las
condiciones de operación más importantes están
la temperatura, concentración inicial de sustrato,
edad y volumen del inóculo.
3.5.5
Tipos de operación
La producción de biohidrógeno por fermentación
oscura se puede llevar a cabo en modos de
operación por lotes, continuo o lotes alimentados
(Tablas 1, 2, 3, 4). Los procesos por lotes, se han
llevado a cabo más en el laboratorio para
investigar los requerimientos nutricionales y
obtener rendimientos cuando se tienen sustratos
particulares. Estos procesos se han realizado a
volúmenes de no más de 4L con agitación
magnética o en shakers. Quizás uno de los usos
principales en la producción de hidrógeno de los
procesos por lotes, cuando se tienen cultivos
mixtos, es el acondicionamiento del inóculo
antes de la fermentación, pues esto permite
efectuar el proceso de germinación de esporas
de las bacterias productoras de hidrógeno y así
evitar un posible lavado de células en un proceso
continuo. Además, este tiempo de adaptación por
lotes permite disminuir la fase lag del microorganismo, haciendo que cuando se llegue a
realizar la fermentación, éste empiece a crecer y
producir hidrógeno rápidamente.
Las bacterias del género Clostridium, reportadas
como una de las mejores productoras de
hidrógeno, han sido usadas en procesos por lotes
a gran escala para producir solventes como
acetona, butanol y etanol; para la producción de
hidrógeno, un proceso continuo es más atractivo,
pues el modo por lotes involucra mayores
tiempos de fermentación y no se garantizan
condiciones de estado estacionario, que se
pueden alcanzar con un proceso en continuo, que
son de gran importancia para una óptima
producción de hidrógeno [Oh y otros, 2003;
Redwood y Macaskie, 2006; Asada y otros,
2006].
Los procesos por lotes alimentados no han sido
muy utilizados; los pocos estudios que se han
hecho, han sido para evaluar condiciones de
germinación de bacterias esporuladas, un
proceso que necesita de nutrientes específicos
como aminoácidos para que se pueda llevar a
cabo, pero no son muy recomendables, pues se
Dyna 154, 2008
ha visto que la interrupción en la alimentación
por un periodo de 6 h puede llevar a las bacterias
a esporular de nuevo de una forma irreversible y
por esto se recomienda un suplemento de
nutrientes continuo.
Aunque todavía no se tiene un proceso continuo
económicamente factible, en los últimos años se
han hecho algunos cambios para optimizarlos. Se
ha investigado mucho en fermentación oscura en
continuo con microflora mesofílica y termofílica.
Esta última podría ser apropiada si el proceso se
acopla a otro que esté asociado a una generación
de calor, cuya energía sea aprovechable para el
proceso termofílico; de lo contrario esta
operación es una opción menos favorable técnica
y económicamente hablando.
En un proceso continuo es factible, y mucho más
fácil, controlar el pH, HRT, presión parcial de
hidrógeno y CO2 y los subproductos del proceso,
que, como ya se había mencionado, son
condiciones
determinantes a la hora de
optimizar la producción.
3.5.4.2 Efecto del pH, HRT y de la presión
parcial de los gases en un proceso continuo
Con el fin de disminuir el consumo del
hidrógeno por parte de bacterias metanógenas, se
usan condiciones especiales en la fermentación,
como bajos pHs y cortos tiempos de retención
hidráulica (HRT).
En cuanto al pH, la producción se da en un
amplio rango, encontrándose que a pHs menores
de 4.0 y mayores de 12.0 se inhibe por completo
la producción de hidrógeno. Los rangos de
producción varían entre 6.0 y 6.8 con
rendimientos aceptables para la fermentación
con cultivos mixtos (Cai y otros, 2004).
Se ha encontrado también que a un pH inicial
controlado de 6.0, la producción de hidrógeno
es más eficiente que si no se controla, cambiando
el patrón de fermentación al pasar de producir
ácido acético y butírico a sólo ácido butírico y,
luego de algún tiempo, a ácido láctico, lo que
sugiere un cambio en la comunidad bacteriana
[Oh y otros, 2002; Liu y Shen, 2004; Ferchichi y
otros, 2005; Kawagoshi y otros, 2005]. De esta
147
manera, la producción de hidrógeno y ácidos
acético y butírico como principales subproductos
es más conveniente a pHe menores o iguales a
6.0 que a pHs más neutros, en los cuales se
encuentran subproductos no asociados al
metabolismo del hidrógeno.
En la fermentación es necesario evitar que se
incremente la proporción de ácidos acético y
butírico no disociados (el incremento ocurre
cuando el pH cae a sus pKa de 4.74 y 4.81,
respectivamente), pues éstos pueden pasar a
través de la membrana de las bacterias, causando
un colapso en el gradiente de pH de ésta y la
bacteria produciría solventes no deseados y
quizás esporule o muera [Oh y otros, 2002;
Hawkes y otros, 2007].
El tiempo de retención hidráulica (HRT) puede
afectar considerablemente las fermentaciones en
continuo, siendo el uso de cortos tiempos de
retención lo más ventajoso, al lavar las bacterias
productoras de metano; éstos también reducen el
tamaño del reactor y, así, el costo del proceso. Se
ha concluido que el HRT presenta una selección
hidrodinámica de las poblaciones de cultivos
mixtos, estabilizándolas por el lavado de
bacterias productoras de propionato a un HRT de
6 h [Hawkes y otros, 2002; Zhang y otros, 2006].
La presión parcial de hidrógeno en la fase
líquida es uno de los factores claves que afectan
la producción de hidrógeno, pues si ésta es alta
afecta directamente las reacciones metabólicas
de la fermentación. Así, se debe controlar la
presión parcial de hidrógeno controlando
parámetros que la afectan como la agitación, la
concentración de sustrato, la purga con gases
inertes (teniendo en cuenta que no se baje mucho
la concentración de hidrógeno en el biogás) y la
extracción del biogás a través de membranas [Oh
y otros, 2002; Hawkes y otros, 2002; Hawkes y
otros, 2007].
3.5.4.3
Tipos de reactores
La configuración de biorreactor más utilizada
para la producción de biohidrógeno por
fermentación, es el reactor continuo de tanque
agitado (CSTR) [Yang y otros, 2006]. También
existen otros tipos de biorreactores que
148
Bedoya et al
actualmente operan, la mayoría basados en los
procesos de digestión anaeróbica para producir
metano. En la producción de biohidrógeno, los
reactores deben retener las bacterias productoras
para obtener una mayor capacidad catalítica de
éstas y permitir grandes tasas de carga orgánica,
lo que a su vez permite llegar a altas tasas
volumétricas de producción de hidrógeno, sin
dejar de lado que se debe evitar la retención de
bacterias metanógenas o productoras de
propionato.
Se
han
utilizado
reactores
biológicos
secuenciales (SBR) en los cuales los microorganismos son retenidos por un periodo de
inmovilización y se han encontrado tasas
volumétricas y específicas de producción de
hidrógeno similares a las encontradas en CSTRs.
Los métodos para retener la biomasa en los
reactores incluyen la inmovilización en matrices
de etilén-vinil-acetato (EVA), celulosa, capas de
alginato-polivinil-acetato, carbón activado y
alginato de calcio, aprovechando la formación de
biopelículas en estos soportes [Wu y otros, 2005;
Wu y otros, 2006]. También se ha retenido la
biomasa con membranas, pero no se recomienda
como una buena opción, pues los biorreactores
de membrana poseen grandes costos de
operación. Otras de las configuraciones que
también han sido utilizadas son reactor de lecho
fluidizado (FBR), de lecho empacado (PBR) y
anaeróbico bafleado de tres compartimentos
(ABR) [Chang y otros, 2007; Lee y otros, 2006;
Wang y otros, 2006].
La retención de bacterias para producir
hidrógeno puede incrementar la biomasa y las
ratas de carga orgánica, además de presentar
ventajas en la creación de ambientes locales
anaeróbicos que favorecen el proceso. Las
principales configuraciones de biorreactores de
lecho empacado con biomasa inmovilizada,
generalmente cultivos mixtos libres de
metanógenos, son el reactor de lecho ascendente
anaerobio (UASB) y el reactor de cargador
inducido granular (CIGSB) (Tabla 4) [Wolfrum
y Weaver, 2000; Chang y Lin 2004; Lee y otros,
2004; Gavala y otros, 2006].
4. SEPARACIÓN
HIDRÓGENO
Y
ANÁLISIS
DEL
La producción de biohidrógeno implica su
separación de una mezcla de gases (biogás)
producida por el microorganismo, el cual no es
apto para ser utilizado directamente, debido a
que la concentración de hidrógeno en esta
mezcla no es lo suficientemente alta y los otros
gases producidos en el proceso, como el CO2,
impiden su utilización en aplicaciones como las
celdas de combustible. De esta forma, las
mejoras en la separación del gas contribuirán de
forma directa a aplicaciones económicamente
viables del biohidrógeno [Claassen y otros,
2005; Búcsu y otros, 2006].
La remoción continua del hidrógeno es de suma
importancia para un modo de operación en
continuo, pues su acumulación, y la de otros
gases producidos en el proceso de fermentación
oscura, generalmente reduce la tasa de
producción debido al aumento de la presión
parcial de estos gases. Al incrementar la
concentración de hidrógeno en la mezcla, su
síntesis decae. Además pueden suceder cambios
metabólicos en la comunidad bacteriana y
producirse sustratos reducidos (no deseables
como el propionato). La concentración de CO2
también puede afectar la tasa de producción de
hidrógeno; a partir de éste, en un cultivo mixto,
las células pueden producir otros metabolitos,
cuyas reacciones pueden competir con el
requerimiento de NADH necesario para una
buena producción de biohidrógeno [Levin y
otros, 2004].
Otros gases (CH4, H2S, NH3), producto de la
fermentación, también deben ser separados para
obtener hidrógeno con una pureza mayor al 99%.
Además, se debe tener en cuenta que la purga
con gases inertes, como el nitrógeno y el argón,
para garantizar anaerobiosis, afecta el proceso
de separación [Horváth y otros, 2004; Levin y
otros, 2004; Bélafi y otros, 2006].
Existen varios
métodos de remoción y
purificación selectiva de hidrógeno usando
tecnologías de membranas solas o combinadas
con otros métodos. El proceso más usado es la
separación de gas, donde se maneja una presión
Dyna 154, 2008
conducida por membranas, pudiendo separarse la
mezcla de gases con membranas porosas o no
porosas, basándose en la permeabilidad y
selectividad de los gases. La separación de
hidrógeno ha sido un proceso conducido a altas
temperaturas y por lo tanto se han utilizado
membranas termo-resistentes de materiales muy
costosos. La separación de biohidrógeno no
requiere altas temperaturas, pudiéndose utilizar
membranas de polímeros menos termoestables y
por tanto más baratas [Bélafi y otros, 2006].
A 25ºC se han utilizado membranas no porosas
de polímeros que tienen gran permeabilidad por
el hidrógeno y selectividad en mezclas
hidrógeno-nitrógeno a esta temperatura [Horváth
149
y otros, 2004]. En las membranas porosas la
permeabilidad de los gases se ve influenciada
sólo por los pesos moleculares y la separación se
determina por la relación entre éstos [Bélafi y
otros, 2006].
Existen muchos estudios sobre la separación de
hidrógeno, pero con respecto a las técnicas
usadas en biohidrógeno poco se ha publicado. Se
han usado membranas de silicona para la
separación del biohidrógeno de la fase líquida
enfocándose principalmente en la separación
hidrógeno-CO2 [Levin y otros, 2004, Bélafi y
otros, 2006].
Tabla 1. Procesos por lotes para fermentación oscura usando cultivos puros
Table 1. Batch processes in dark fermentation using pure cultures
PROCESOS POR LOTES PARA FERMENTACIÓN OSCURA
CULTIVOS PUROS
RESULTADOS
Rendimiento
H2 (mol
Otros
ReferenH2/mol
ProductiviproducMicroorganismos
Sustrato
pH T (°C) dad H2 (ml/h)
cias
sustrato)
tos
Acetato,
Liu y Shen,
Clostridium butyricum
2.78 mol /mol propionato
2004
CGS5
sacarosa
y butirato
Sacarosa
5.5
37
163
Acetato,
Chen y
Clostridium
194 ml/g
propionato
otros, 2005
pasteurianum
Almidón
8
35
18
almidón
y butirato
Clostridium
Acetato,
Yokoi y
saccharoperbutyl
Suero de
2.8 mol/mol propionato
otros, 2001
acetonicum
leche
6
30
47.07
lactosa
y butirato
Acetato,
etanol,
Levin y
Fibras de
otros, 2006
madera
lactato y
Clostridium
6.91.6 mol/mol
thermocellum 27405
(DLWs)
7.1
glucosa
formato
NI
NI
Clostridium butiricum,
Residuos de
Ishikawa y
Enterobacter aerogenes almidón de
7mol/mol
otros, 2006
y Rodhobacter sp.M19
papa
7.5
35
NI
glucosa
NI
Bisaillon y
2.4 mol/mol
Ácido
otros, 2006
glucosa
valérico
E. coli
Glucosa
6.8
30
52
2 mol/mol
Aki y otros,
E. coli
Glucosa
37
NI
glucosa
NI
2006
Ácido
Redwood y
acético y Macaskie,20
1.27 mol/mol
glucosa
etanol
06
E. coli MC13-4
Glucosa
37
10
150
Bedoya et al
Tabla 2. Procesos en continuo para fermentación oscura usando cultivos puros
Table 2. Continuous and fed batch processes in dark fermentation using pure cultures
Microorganismos
Clostridium
thermolacticum
Clostridium
acetobutylicum
ATCC824
PROCESOS EN CONTINUO PARA FERMENTACION OSCURA
CULTIVOS PUROS
RESULTADOS
ProductiRendimien-to
vidad H2
Otros
H2 (mol H2/mol
Sustrato
pH T (°C)
sustrato)
produc-tos Referen-cias
(ml/h)
Acetato,
Medio
0.0574 mol/g
Butanol,
Collet y
Lactato
comercial
7
37
NI
sustrato
otros, 2004
Glucosa
NI
30
0.9 mol/mol
glucosa
27.2
Acetato y
butirato
Zhang y
otros, 2006
Tabla 3. Procesos por lotes para fermentación oscura usando cultivos mixtos
Table 3. Batch processes in dark fermentation using mixed cultures
PROCESOS POR LOTES PARA FERMENTACIÓN OSCURA
CULTIVOS MIXTOS
RESULTADOS
T
Rendimiento (mol
(°C) Productividad H2 (ml/h) H2/mol sustrato) Otros productos Referencias
Acetato y
Zhang y otros,
55
365
NI
butirato
2003
Sustrato
pH
Agua residual
Aguas residuales de
procesadoras de
alimentos
7
6
30
275
NI
Glucosa
11.5
37
16.9
Glucosa
6
35
NI
NI
1.4 mol/mol
glucosa
Glucosa
5.7
35
133.2
NI
Cascarilla de arroz
4.5
37
87.5
Sacarosa
40
468
Sacarosa
6.7
6.38.0
35
NI
NI
1.74 mol/mol
sacarosa
5.64 mol/mol
sacarosa
Sacarosa y desecho
de piña
7.5
37
745
2.46 mol/mol
sacarosa
Acetato, etanol y
propionato
Kawagoshi y
otros, 2005
Cai y otros,
Acetato, butirato 2004
y propionato
Butirato y
Oh y otros,
acetato
2003
Acetato, etanol,
propionato y
Cheong y
butirato
Hansen, 2006
Acetato y
Zhu y Béland,
butirato
2006
Acetato y
Chen y otros,
butirato
2006
Acetato y
Hussy y otros,
butirato
2005
NI
Asada y otros,
2006
Dyna 154, 2008
151
Tabla 4. Procesos en continuo para fermentación oscura usando cultivos mixtos
Table 4. Continuous processes in dark fermentation using mixed cultures
Sustrato
Sacarosa
Sacarosa
Agua residual
PROCESOS EN CONTINUO PARA FERMENTACIÓN OSCURA
CULTIVOS MIXTOS
RESULTADOS
Rendimiento
T
(mol H2/mol
pH (°C) Productividad H2 (ml/h)
sustrato)
Otros productos
1.6 mol/mol
6.8 35
367
sacarosa
Valerato y etanol
4.48 mol/mol Ácidos acético, butírico
sacarosa
y etanol
7.2 35
293
3.15 mol/mol
Ácidos acético y
6.7 40
766
sacarosa
butírico
4
37
222
1.12 mol/mol
glucosa
6.5
35
694.4
NI
Almidón de maíz
Exp1: sacarosa
refinada.
Exp2:extracto de
sugarbeet
3.8
36
708.3
NI
5.2
32
420
Glucosa
5.5
36
191.6
Glucosa
5.5
37
325
Agua residual
Aguas residuales
de desechos de
alimentos
1.9 mol /mol
hexosa
2.1 mol/mol
glucosa
1.9 mol/mol
glucosa
Acetato, butirato
Ácidos grasos volátiles
Ácidos acético,
propiónico,butírico,
valérico y etanol
Acetato y butirato
Acetato y butirato
Acetato y butirato
Referencias
Chang y
otros, 2002
Zhang y
otros, 2006
Fang y Liu,
2002
Hussy y
otros, 2005
Lin y Chang,
2004
Zhang y
otros, 2006
Claassen y
otros, 2005
Liu y Shen,
2004
Gavala y
otros, 2005
LA
sphaeroides sea menor que en la cepa mutante
[Kondo y otros, 2002].
Los principales sistemas de producción de
biohidrógeno (fotólisis directa e indirecta, fotofermentación
y
fermentación
oscura)
actualmente están bajo intensa investigación con
el fin de desarrollar métodos que mejoren tanto
las tasas de producción de H2 como sus
rendimientos. Por ejemplo, se ha reportado el
mejoramiento de la producción de H2 con la
utilización de un mutante por radiación UV de
Rhodobacter sphaeroides. Esta mutación hizo
reducir el contenido de carotenoides debido a
que este tipo de pigmentación está presente en
exceso en la célula limitando la incidencia de la
luz en el sistema fotosintético y haciendo que la
producción en una cepa silvestre de Rhodobacter
El mejoramiento genético de algunos microorganismos, realizando cambios o mutaciones en
las enzimas involucradas que las hace más
resistentes a los inhibidores como el oxígeno,
eliminando las hidrogenasas captadoras de
hidrógeno e incrementando los niveles de
actividad de la hidrogenasa bidireccional, han
demostrado mejoras en los rendimientos y la
producción de hidrógeno [Franchi y otros, 2004;
Kruse y otros, 2005; Vignais y otros, 2006].
La integración de dos de los procesos más
productivos, la fermentación oscura y la
fotofermentación, con el fin de aprovechar al
máximo las fuentes de carbono presentes en el
sustrato, hacen más eficiente el proceso de
producción de biohidrógeno [Nath y Das, 2004].
5.
MEJORAMIENTO
PRODUCCIÓN
DE
152
Bedoya et al
Esta integración permite primero la degradación
de los carbohidratos hasta ácidos orgánicos
implicando una producción de hidrógeno, y
luego estos ácidos orgánicos son utilizados en un
reactor en serie conectado al anterior en el cual
los
microorganismos
fotofermentadores
transforman estos ácidos en presencia de luz a
hidrógeno y CO2 [Eroglu y otros, 2006;
Redwood y Macaskie, 2006].
Finalmente, la optimización de condiciones de
cultivo tales como la intensidad de la luz, pH,
temperatura,
contenido
de
nutrientes,
mantenimiento de una baja presión parcial,
eliminación de microorganismos competidores y
el diseño de nuevos biorreactores, podrán
contribuir al incremento en la producción de H2.
6. CONCLUSIONES
La producción de una fuente de energía limpia y
la utilización de materiales de desecho hacen del
biohidrógeno una novedosa y prometedora
alternativa a las demandas energéticas que
aumentan cada día en el mundo. Los distintos
sistemas biológicos de producción de hidrógeno
ofrecen ventajas, pero sin duda la fermentación
oscura es una de las alternativas más atractivas
por trabajar con un amplio rango de microorganismos y sustratos renovables, y poder
llevarse a cabo en procesos continuos, donde es
posible controlar condiciones de operación como
pH, HRT y presión parcial de gases, entre otras,
permitiendo optimizar el proceso de producción
de hidrógeno. Cambios en las rutas metabólicas
de los microorganismos y el acoplamiento de
diferentes métodos de producción, como
fermentación oscura y fotofermentación, han
mejorado los resultados de los procesos
convencionales. Los métodos de separación y
purificación del producto final (biohidrógeno)
juegan un papel muy importante y se han
utilizado tecnologías de membrana que se basan
en la permeabilidad y selectividad de los gases a
separar.
7.
AGRADECIMIENTOS
Al curso de Fermentaciones Industriales por sus
aportes y disponibilidad. A la Universidad
Nacional de Colombia, Sede Medellín, y a todos
los que hicieron posible este documento.
REFERENCIAS
[1] AKI H., YAMAMOTO SH., KONDO J.,
MAEDA T., YAMAGUCHI H., MURATA A.,
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